(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状に成形された正極と負極とがセパレータを介して積層されてなる電極積層体を有し、前記電極積層体が電解液とともにラミネートフィルムのケース内に密封封止された蓄電デバイスであって、
前記ケースにおいて前記電極積層体を収納する積層体収納部よりも外周側の部位を挟み込んだ状態で固定される固定部と、前記固定部から延設され、ガス発生時に変形した前記ケースに当接してそのケースを破断させる破断部とを有する内圧解放機構を備え、
前記破断部は、ガス発生前の未変形の前記ケースに対して非接触の状態で設けられている
ことを特徴とする蓄電デバイス。
【請求項２】
前記固定部は、前記ケースの外周端部を挟み込むＵ字状の部材であり、
前記破断部は、前記Ｕ字状の部材における一方の端部にて前記ケースと対向するよう設けられる切刃状の部材であることを特徴とする請求項１に記載の蓄電デバイス。
【請求項３】
前記内圧解放機構は、前記ケースよりも硬い部材からなることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極と負極とがセパレータを介して積層されてなる電極積層体を有し、その電極積層体が電解液とともにラミネートフィルムのケース内に密封封止された蓄電デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電や風力発電等の負荷平準化装置、コンピュータ等に代表される電子機器の瞬時電圧低下対策装置、電気自動車やハイブリッドカーのエネルギー回生装置などのような蓄電システムにおいては、エネルギー容量が大きくてかつ急速充放電が可能な蓄電デバイスが必要とされている。従来の鉛蓄電池やその他の二次電池では、大電流の充放電に弱くサイクル寿命が短いため、その蓄電システムに対応することは困難であった。そこで、それらの問題を解決しうる新たな蓄電デバイスとして、近年、非水系の蓄電デバイスが注目されている。
【０００３】
現在、急速充放電や長寿命化が可能な蓄電デバイスとして、リチウムイオンキャパシタが提案されている。このリチウムイオンキャパシタは、正極、負極及びセパレータを積層してなる電極積層体を備えている。かかる電極積層体は例えば柔らかいアルミラミネート箔からなるラミネートケース内に収容され、そのケース内はリチウムイオンを含んだ有機電解質で満たされている。このリチウムイオンキャパシタにおいて、過充電等の異常時において、ラミネートケース内でガスが発生すると、ラミネートケースの内圧が上昇しケースが膨らむ。従来では、その異常時において、ラミネートケースの破裂を未然に防止するためにラミネートケース内の内圧を解放するための内圧解放機構が設けられている。内圧解放機構の具体例としては、例えば、ラミネートケースの封止部分の一部を他の部位の融着強度よりも弱く形成する（具体的には、融着幅を狭くするか融着力を弱くする）安全機構（例えば、特許文献１等参照）や、ラミネートケースの一部に貫通口を設け、その開口を塞ぐ形で安全弁を取り付けてなる安全機構（例えば、特許文献２等参照）などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５３０２３号公報
【特許文献２】特開２００７−１５７６７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１の安全機構では、ラミネートケースにおける封止部分の融着強度を部分的に弱くしているため、その部分から水分が透過するといった問題が懸念される。また、特許文献２の安全機構でも、貫通口を設けそれを安全弁で塞ぐ構成となっているため、その部分から水分が透過するといった問題がある。ラミネートケース内に水分が入り込むと、リチウムが反応してキャパシタ性能を劣化させる原因となってしまう。
【０００６】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ケースの信頼性を確保しつつ、ガス発生時にケースの内圧を確実に解放することができる蓄電デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための手段［１］〜［３］を以下に列挙する。
【０００８】
［１］シート状に成形された正極と負極とがセパレータを介して積層されてなる電極積層体を有し、前記電極積層体が電解液とともにラミネートフィルムのケース内に密封封止された蓄電デバイスであって、前記ケースにおいて前記電極積層体を収納する積層体収納部よりも外周側の部位を挟み込んだ状態で固定される固定部と、前記固定部から延設され、ガス発生時に変形した前記ケースに当接してそのケースを破断させる破断部とを有する内圧解放機構を備え、前記破断部は、ガス発生前の未変形の前記ケースに対して非接触の状態で設けられていることを特徴とする蓄電デバイス。
【０００９】
従って、手段１に記載の発明によると、従来技術のようにラミネートケースの封止部分において部分的に融着強度を弱くしたり開口部を設けたりして内圧解放機構を構成する必要がない。つまり、ケース側に変更を加えることなく、内圧解放機構を設けることができる。従って、ケースの封止部分を均一の強度で融着することができ、ケース内への水分の浸入を確実に防ぐことができる。また、薄型のケースであっても、ケースの外周側の部分を固定部で挟み込むことで固定することができ、ガス発生時に膨らんだケースを破断部で確実に破断させることができる。これにより、ガス発生時に加わるケースの内圧を確実に解放することができる。また、前記破断部は、ガス発生前の未変形の前記ケースに対して非接触の状態で設けられており、ガスが発生していない通常使用時において、破断部がケースに接触していないため、振動等により誤ってケースが破断されることがなく、ケースの信頼性を維持することができる。
【００１０】
［２］手段１において、前記固定部は、前記ケースの外周端部を挟み込むＵ字状の部材であり、前記破断部は、前記Ｕ字状の部材における一方の端部にて前記ケースと対向するよう設けられる切刃状の部材であることを特徴とする蓄電デバイス。
【００１１】
手段２に記載の発明によれば、固定部がＵ字状の部材であるため、ケースの外周端部を確実に挟みこむことができる。また、Ｕ字状の固定部における一方の端部に破断部を設けることにより、ケースと対向するよう破断部を配置させることができる。さらに、破断部は、切刃状の部材であるので、ガス発生時に変形したケースに当接することでケースを容易に破断させることができる。
【００１４】
［３］手段１または２において、前記内圧解放機構は、前記ケースよりも硬い部材からなることを特徴とする蓄電デバイス。
【００１５】
手段３に記載の発明によれば、内圧解放機構は、ケースよりも硬い部材からなるため、ケースの変形に追従することなく、ケースを破断させるための十分な力を作用させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上詳述したように、手段１〜３に記載の発明によると、ケースの信頼性を確保しつつ、ガス発生時にケースの内圧を確実に解放することができる蓄電デバイスを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】一実施の形態のリチウムイオンキャパシタを示す側面図。
【図２】一実施の形態のリチウムイオンキャパシタを示す平面図。
【図３】一実施の形態の電極積層体を示す断面図。
【図４】内圧解放機構を示す側面図。
【図５】ガス解放時の動作を説明するための説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明をリチウムイオンキャパシタに具体化した一実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は本実施の形態におけるリチウムイオンキャパシタ１０を示す側面図であり、図２はそのリチウムイオンキャパシタ１０の平面図である。また、図３は上記リチウムイオンキャパシタ１０を構成する電極積層体１１を示す断面図である。
【００１９】
図１〜図３に示されるように、リチウムイオンキャパシタ１０は、シート状に成形された正極２１と負極３１とがセパレータ４１を介して交互に積み重ねられた構造を有する電極積層体１１を備えている。リチウムイオンキャパシタ１０において、電極積層体１１は、リチウム塩を含んだ電解液とともにケース５１内に密封封止されている。本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０は、電極積層体１１の厚さが６ｍｍ程度であり、薄型の蓄電デバイスとして構成されている。
【００２０】
セパレータ４１は、電解液や電極活物質等に対して耐久性があり、連通気孔を有する非導電性の多孔体等からなる。通常、ガラス繊維、ポリエチレン、ポリプロピレン等、セルロース等からなる不織布あるいは多孔体が用いられる。セパレータ４１の厚さは、キャパシタの内部抵抗を小さくするために薄いほうが好ましいが、電解液の保持量、流通性、強度等を勘案して適宜設定することができる。
【００２１】
正極２１は、炭素材料からなる正極材２２を正極集電体２３上に形成した構造を有している。正極材２２を形成する炭素材料としては、活性炭が用いられる。この炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。
【００２２】
正極集電体２３は、正極材２２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えばアルミニウムからなる導電性金属板を用いて形成されている。正極集電体２３は平面視矩形状に形成され、その四辺のうちの一辺からタブ２４が突出している。このタブ２４は、アルミニウムからなる正極用外部端子２５に接続されている（図１及び図２参照）。
【００２３】
負極３１は、リチウムイオンの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極材３２を負極集電体３３上に形成した構造を有している。負極材３２の形成材料としては、黒鉛系炭素、易黒鉛化炭素、難黒鉛化炭素等の炭素材料がある。これらの炭素材料は、可逆性が高い等の性質を有するため、負極材料として好適である。負極電極３２用の炭素材料は、必要に応じて導電剤及びバインダとともに混練され、成形される。
【００２４】
負極集電体３３は、負極材３２を支持しつつ集電を行うための部材であって、例えば銅からなる導電性金属板を用いて形成されている。負極集電体３３は平面視矩形状に形成され、その四辺のうちの一辺からタブ３４が引き出されている。このタブ３４は、銅からなる負極用外部端子３５に接続されている（図１及び図２参照）。
【００２５】
図１及び図２に示されるように、リチウムイオンキャパシタ１０のケース５１は、アルミ箔を樹脂フィルムにラミネートしてなるアルミニウム・ラミネートフィルムを用いて矩形袋状に加工したソフト容器である。ケース５１における外周部５２は、熱融着によって封止されている。熱融着による封止は、融着部に正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５を挟み込んだ状態で行われる。本実施の形態では、ケース５１の封止部分は、融着幅が等しくかつ融着力が均一となるように形成されている。
【００２６】
このようにしてケース５１内に電極積層体１１を収容した場合、ケース５１における一方の端部（図１では左側の端部）から正極用外部端子２５が引き出され、他方の端部（図１では右側の端部）から負極用外部端子３５が引き出される。なお、アルミ箔以外の他の金属箔からなる金属ラミネートフィルム材を用いて、ケース５１を形成してもよい。
【００２７】
図１、図２及び図４に示されるように、本実施の形態のケース５１において、電極積層体１１を収納する積層体収納部５３よりも外周側の位置に内圧解放機構６０が設けられている。内圧解放機構６０は、ケース５１の外周端部を挟みこんだ状態で固定される固定部６１と、固定部６１から延設され、ガス発生時に変形したケース５１に当接してそのケース５１を破断させる破断部６２とを有する。内圧解放機構６０を構成する固定部６１及び破断部６２は、ケース５１よりも硬い金属部材からなる。固定部６１は、Ｕ字状に形成された部材であり、破断部６２は、Ｕ字状の固定部６１の一方の端部６１ａにてケース５１と対向するよう設けられる切刃状の部材である。内圧解放機構６０において、固定部６１における破断部６２の反対側の端部６１ｂが接着剤等を用いてケース５１に固定されており、破断部６２は、ガス発生前の未変形のケース５１に対して非接触の状態で設けられている。
【００２８】
具体的には、固定部６１は、真鍮等からなる細長い棒状の金属材をＵ字状にプレス加工することで形成される。また、破断部６２は、固定部６１の端部６１ａに対して切削加工や研磨加工を施すことで固定部６１と一体的に形成される。なお、固定部６１と破断部６２とを別体で形成し、固定部６１の一方の端部６１ａに破断部６２を溶接接続して内圧解放機構６０を構成してもよい。本実施の形態において、固定部６１の長さは１２ｍｍ程度であり、固定部６１において一方の端部６１ａと他方の端部６１ｂとの間隔は４ｍｍ程度である。この固定部６１の長さや間隔は、ケース５１のサイズに応じて適宜変更することができる。なお、固定部６１における各端部６１ａ，６１ｂの間隔（内圧解放機構６０の厚さ）は、積層体収納部５３の厚さよりも狭くすることが好ましい。この場合、複数のリチウムイオンキャパシタ１０を厚さ方向に積み重ねて収納する際に、積層体収納部５３よりも内圧解放機構６０が突出することがないため、従来と同様の収納性を確保できる。
【００２９】
上記のように構成したリチウムイオンキャパシタ１０において、過充電等の異常にケース５１内でガスが発生すると、図５に示されるように、ケース５１が膨らむ。このとき、内圧解放機構６０のＵ字状の固定部６１を押し広げる方向にケース５１が変形し、ケース５１の外周側の部分が内圧解放機構６０に挟まるような形になる。そして、固定部６１の先端部に設けられた破断部６２がケース５１表面に押し付けられる。さらに、ケース５１の内圧が上昇すると、破断部６２の切刃に沿ってケース５１に亀裂が入り、ケース５１が破断される。この結果、ケース５１に穴が開き、ケース５１内で発生したガスが外部に放出されることで、ケース５１の内圧が解放される。
【００３０】
従って、本実施の形態によれば以下の効果を得ることができる。
【００３１】
（１）本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、ケース５１の外周側の位置に内圧解放機構６０が設けられており、内圧解放機構６０は、ケース５１の外周端部を挟みこんだ状態で固定される固定部６１と、そのケース５１を破断させる破断部６２とを有する。このような内圧解放機構６０を用いると、従来技術のようにケースの封止部分において部分的に融着強度を弱くしたり開口部を設けたりする必要がない。つまり、ケース５１側に変更を加えることなく、内圧解放機構６０を設けることができる。従って、ケース５１の封止部分を均一の強度で融着することができ、通常使用時にてケース５１内への水分の浸入を確実に防ぐことができる。また、薄型のケース５１であっても、ケース５１の外周側の部分を固定部６１で挟み込むことで固定することができ、ガス発生時に膨らんだケース５１を破断部６２で確実に破断させることができる。これにより、ガス発生時に加わるケース５１の内圧を確実に解放することができるため、ケース５１の破裂を未然に防止することができる。
【００３２】
（２）本実施の形態の内圧解放機構６０は、固定部６１がＵ字状の部材であるため、ケース５１の外周端部を確実に挟み込むことができる。また、Ｕ字状の固定部６１における一方の端部に破断部６２を設けることにより、ケース５１と対向するよう破断部６２を配置させることができる。さらに、破断部６２は、切刃状の部材であるため、ガス発生時に変形したケース５１に当接してケース５１を容易に破断させることができる。
【００３３】
（３）本実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、ガスが発生していない通常使用時において、内圧解放機構６０の破断部６２がケース５１に接触していない。このため、振動等により誤ってケース５１が破断されることがなく、ケース５１の信頼性を十分に維持することができる。
【００３４】
（４）本実施の形態の内圧解放機構６０は、ケース５１よりも硬い金属部材からなるため、ケース５１の変形に追従することなく、ケース５１を破断させるための十分な力を作用させることができる。
【００３５】
なお、本発明の実施の形態は以下のように変更してもよい。
【００３６】
・上記実施の形態では、内圧解放機構６０を金属部材にて構成していたが、これ以外にセラミック部材などを用いて構成してもよい。但し、内圧解放機構６０を金属部材で構成する場合、Ｕ字状の固定部６１や切刃状の破断部６２を比較的容易に形成できることに加え、材料コストを抑えることができるので、実用上好ましいものとなる。
【００３７】
・上記実施の形態の内圧解放機構６０は、切刃状の破断部６２を備えるものであったが、これ以外に鋭利に尖った針状の部材を破断部として備えるものでもよい。さらに、複数の破断部６２を設け、ケース５１を確実に破断させるように内圧解放機構を構成してもよい。また、固定部６１はＵ字状の部材であったが、ケース５１の外周端部を挟みこむ形状であれば、適宜変更することができる。さらに、固定部６１は、ケース５１の外周端部に固定されるものであったが、タブ状の正極用外部端子２５や負極用外部端子３５を挟み込んだ状態で固定されるものでもよい。
【００３８】
・上記実施の形態のリチウムイオンキャパシタ１０では、正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５が互いに反対方向に引き出されていたが、これに限定するものではなく、同一方向から正極用外部端子２５及び負極用外部端子３５を引き出す構成としてもよい。
【００３９】
・上記実施形態では、本発明をリチウムイオンキャパシタ１０に具体化したが、ラミネートフィルムのケースを備える蓄電デバイスであれば他の蓄電デバイスに本発明を具体化することができる。例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオン二次電池などに本発明を具体化してもよい。
【００４０】
次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施の形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。
（１）手段１において、前記固定部は、前記ケースから突出するよう設けられたタブ状の外部端子に固定されることを特徴とする蓄電デバイス。
（２）炭素材料からなる正極材をシート状の集電体に塗布した構造の正極と、リチウムの吸蔵及び放出が可能な材料からなる負極材をシート状の集電体に塗布した構造の負極とをセパレータを介して積層してなる電極積層体を有し、前記電極積層体がリチウム塩を含む電解液とともにラミネートフィルムのケース内に密封封止されたリチウムイオンキャパシタであって、前記ケースにおいて前記電極積層体を収納する積層体収納部よりも外周側の部位を挟み込んだ状態で固定される固定部と、前記固定部から延設され、ガス発生時に変形した前記ケースに当接してそのケースを破断させる破断部とを有する内圧解放機構を備えたことを特徴とするリチウムイオンキャパシタ。
【符号の説明】
【００４１】
１０…リチウムイオンキャパシタ
１１…電極積層体
２１…正極
３１…負極
４１…セパレータ
５１…ケース
５３…積層体収納部
６０…内圧解放機構
６１…固定部
６１ａ…一方の端部
６２…破断部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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